Реологические свойства бетонной смеси
БЕТОННАЯ СМЕСЬ
Структура бетонной смеси
В процессе переработки бетонной смеси можно выделить два периода, когда материал характеризуется различными свойствами и состояниями:
1) бетонная смесь до схватывания цемента и превращения бетона в твердое тело;
2) затвердевший бетон – период твердения и эксплуатации материала, обладающего всеми свойствами твердого тела.
Бетонную смесь (сложную многокомпонентную систему) получают при затворении водой смеси цемента и заполнителей. В нее могут входить различные добавки и воздух в виде мелких пузырьков, попадающий в бетонную смесь при перемешивании, иногда при уплотнении бетонной смеси. Некоторые добавки способствуют активному воздухововлечению в смесь и тем самым увеличивают пористость бетонной смеси и бетона, изменяя его свойства.
Бетонную смесь можно получать и путем перемешивания сухих компонентов с жидким вяжущим (асфальтобетон), полимерами (пластбетон) и т. д., но мы рассматриваем в пособии только цементные бетоны.
В случае возникновения при перемешивании внутренних сил взаимодействия между частицами твердой фазы и воды бетонная смесь приобретает связанность и свойства характерные для структурированных вязких жидкостей. Вообще по своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами.
От истинно вязких жидкостей они отличаются наличием некоторой прочности структуры или структурной вязкостью, возникающей благодаря силам вязкого трения; от твердых тел – отсутствием достаточной упругости формы и способностью к значительным необратимым пластическим деформациям течения даже при незначительных перегрузках.
|
|
|
Свойства бетонных смесей зависят от их структуры и свойств составляющих и обладают рядом особенностей: псевдоразжижаться или становиться более подвижной под влиянием механических воздействий и постоянно менять свойства под воздействием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды вплоть до схватывания системы и превращения ее в твердое тело.
Взаимодействие между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды: только при добавлении воды и сухой смеси цемента и заполнителей эта смесь приобретает структуру и свойства, присущие бетонной смеси.
Увеличение количества воды повышает подвижность, но понижает сцепление бетонной смеси. Меняя соотношение частиц между собой и содержание жидкой фазы получают заданную подвижность и связность бетонной смеси.
Это достигается увеличением В/Ц и тем самым увеличением расстояния между зернами цемента; использованием высокоскоростных смесителей для разрушения цементных флоккул, вибрирования (временного разрушения флоккул); введением больших молекул, адсорбирующихся на поверхности цементных частичек и препятствующих образованию флоккул; введением веществ, повышающих -потенциал усиливающих эффект отталкивания; введением очень малых ( 10 мкм) частиц с положительным -потенциалом (зола-унос); введением мельчайших воздушных пузырьков, играющих роль шарикоподшипников; уменьшением поверхностного натяжения воды.
|
|
|
Именно такими активными модификаторами структуры и свойств бетонной смеси и являются химические добавки, а в первую очередь пластификаторы и суперпластификаторы.
В процессе приготовления, укладки и уплотнения бетонная смесь подвергается различным внешним силовым воздействиям, которые вызывают определенные изменения в ее структуре. В результате приложения к бетонной смеси внешних сил в ней происходит взаимное перемещение отдельных объемов и частиц, разрушение флоккул, т. е. понижается связность системы, возрастает ее подвижность. При прекращении действия сил связность восстанавливается. Это явление получило название тиксотропии.
Перемещения в бетонной смеси на микро- и макроуровне происходят по определенным плоскостям скольжения. Эти плоскости возникают под влиянием сдвигающих напряжений (рис. 3.4).
|
|
|
Рис. 3.4. Схема перемещения цементных частиц и образования плоскостей скольжения в цементном тесте: а – положение частиц до перемещения; б – при перемещении (а = 0,3D)
Частицы перемещаются, расстояние между их центрами увеличивается, сцепление уменьшается. В плоскости скольжения увеличиваются пористость и объем жидкой воды. При затвердевании здесь образуется менее плотная и более слабая структура (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Микроструктура зоны контакта цементного камня с заполнителем, полученная на электронном сканирующем микроскопе
Если поверхность заполнителя гладкая (речной гравий) то плоскость скольжения образуется непосредственно по поверхности, так как сопротивление сдвигу в этом случае будет минимальным. Обычные заполнители имеют шероховатую поверхность и заметную величину поверхностного некомпенсированного заряда, притягивающего цементные частицы. В этом случае плоскость скольжения несколько отстоит от поверхности заполнителя и именно в этой зоне теперь уже может образоваться более слабая структура бетона (рис. 3.6).
|
|
|
Рис. 3.6. Схема образования плоскостей скольжения в контактной
зоне бетонной смеси вблизи поверхности заполнителя:
1 – плоскость скольжения; 2 – зерна цемента; 3 – поверхность заполнителя
Для образования плоскостей скольжения и разрушения флокул необходимо приложить внешнюю силу сдвига. После понижения связности систем значение силы сдвига, вызывающее перемещение в бетонной смеси уменьшается. Это объясняет особенности реологических свойств смеси.
С практической точки зрения структуру бетонной смеси проще рассматривать как систему, состоящую из двух компонентов: цементного теста и заполнителя. Частицы цемента и тонкомолотых добавок отличаются малыми размерами и большой удельной поверхностью раздела твердое тело – жидкость и в цементном тесте сильнее проявляются силы адсорбционного, молекулярного и капиллярного взаимодействия, придающие системе связность и подвижность.
Структура цементного теста с момента затворения водой находится в постоянном изменении. Они вызываются как внешними силами (перемешиванием, уплотнением) так и внутренними физико-химическими процессами (гидратацией цемента).
Внешние силы способствуют диспергации цементных зерен, разрушению флоккул, лучшему распределению воды на поверхности цемента и тем самым повышают подвижность смеси. При гидратации цемента образуются новообразования с высокой удельной поверхностью (порядка 220 м2/г), активно связывающей воду. В результате возрастает количество связанной воды, а подвижность смеси уменьшается.
При этом вода в бетонной смеси находится в различных состояниях (табл. 3.2).
Небольшая часть воды вступает в химическое взаимодействие с цементом (до 18–20 % при полной гидратации от массы цемента) и находится в химически связанном состоянии. К моменту схватывания этот процесс еще ниже и достигает 5 %. Другая часть воды находится под действием адсорбционных сил физико-химически связанной на поверхности твердой фазы. Ее количество в момент приготовления смеси составляет 3–5 %, а к моменту схватывания в связи с развертыванием удельной поверхности достигает 25 % от общего содержания.
Основное количество воды в цементном тесте находится в межзерновом пространстве. Эта вода механически связана со структурой цементного камня (капиллярные силы, гель и т. д.). Ее называют свободной, подразумевая что она не связана химически и не находится под действием молекулярных сил твердой фазы. Сразу после приготовления ее объем составляет 95 % и уменьшается до 65–70 % к моменту схватывания. Свободная вода заметно влияет на подвижность цементного теста. Введение заполнителя в цементное тесто существенно влияет на свойства бетонной смеси. Поверхность заполнителя воздействует на прилагающие слои цементного теста, уплотняя его, пересекая его капилляры, формируя соответственно новую структуру. За счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность. При этом взаимодействие охватывает мельчайшие частицы цемента, и зона воздействия заполнителя на цементное тесто увеличивается (рис. 3.7), достигая 10–15 мкм, и возрастает с увеличением содержания заполнителя или его удельной поверхности.
По насыщаемости цементного теста заполнителем можно выделить три типа структур бетонной смеси (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Типы структур бетонной смеси и их влияние на водопотребность равноподвижной смеси: I – смесь с плавающим заполнителем, II – смесь с плотной упаковкой заполнителей, III – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста
I. Зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют, оказывая влияние лишь на прилегающую зону цементного теста.
II. Цементное тесто заполняет лишь пустоты между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем обмазки, толщиной в контактной зоне, равной 1–3 средним диаметрам частиц цемента. Зоны воздействия отдельных зерен начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зернами заполнителя. Для получения подвижности смеси, как и в первом случае, необходимо либо увеличение В/Ц, либо интенсивности воздействия на смесь.
III. Цементного теста в смеси так мало, что его хватает только для обмазки зерен заполнителя слоем небольшой толщины, а пустоты между зернами заполняются лишь частично.
Переход от одного типа к другому с увеличением содержания заполнителя совершается постоянно. Вначале переход происходит в отдельных малых объемах, но постепенно охватывает всю бетонную смесь. При переходе от II этапа к III из-за нехватки цементного теста в смесь вовлекается большое количество воздуха, который как бы увеличивает объем цементного теста и тем самым способствует заполнению межзерновых пустот. В дальнейшем при уменьшении объема цементного теста воздуха вовлекается все больше, растут размеры его пузырьков, возникают сплошные большие разрывы и неплотности. Такая структура относится уже к III типу.
Обычные бетонные смеси имеют структуру II типа. Они отличаются высокой эффективностью, позволяют получать нерасслаиваемые смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента.
К первому типу структур можно отнести цементно-песчаную смесь с повышенным расходом вяжущего, использующуюся для армоцементных конструкций, к третьему – структуру беспесчаных (крупнопористых) бетонов.
Структура бетонной смеси в момент укладки и после нее претерпевает изменения за счет гидратации цемента и осаждения (седиментации) твердых частиц под действием силы тяжести. Такое перераспределение твердых частиц по объему бетонной смеси называется расслоением. При этом можно видеть два процесса: макро и микрорасслоение: в первом случае происходит осаждение крупных зерен (в результате чего нижние слои изделия могут даже уплотняться, а лишняя вода отжимается наверх либо скапливается под зернами заполнителя или стержнями арматуры формируя разветвленное поровое пространство бетона. Во втором случае расслоение происходит в межзерновом пространстве за счет седиментации цементных зерен и происходит с меньшей скоростью.
Расслоение возможно и в легких бетонах, когда зерна заполнителя всплывают, а раствор скапливается в нижних частях изделия. К расслоению может привести и длительное вибрирование особенно в подвижных стенах.
Склонность к расслоению зависит от структуры бетонной смеси: наибольшую имеет структура I типа, наименьшую – II типа. Она увеличивается с повышением расхода воды и В/Ц и в песчаных смесях наблюдается визуально (водоотделение на поверхности изделия).
Склонность к расслоению можно уменьшить, применяя стабилизаторы и воздухоудерживающие добавки, минеральные тонкомолотые добавки, либо самостоятельно развитой удельной поверхностью, вовлечением воздуха, заменой крупного заполнителя более мелким, использованием компонентов бетонной смеси незначительно различающимися по плотности. Однако самым дешевым средством остается правильное определение (проектирование) состава бетона.
Реологические свойства бетонной смеси
Будущее качество бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси. Поэтому важно понимать процессы происходящие в твердеющей смеси, знать ее свойства и уметь управлять ими.
Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя связность и однородность. Удобоукладываемость определяется (подвижностью) бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без нарушения сплошности.
Для описания поведения смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Определение их достаточно сложно и производится, как правило, в научных лабораториях. В производственных условиях чаще контролируют подвижность (текучесть) смеси, а также уплотняемость, однородность, расслаиваемость, изменение объема при твердении, воздухововлечение, первоначальную прочность.
Бетонная смесь представляет собой многокомпонентную систему, на свойства которой основное влияние оказывает количество и качество цементного теста, имеющего высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз. Решающее влияние на свойства всей бетонной смеси оказывает расход воды, так как именно он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие сил сцепления, определяющих связность и подвижность всей системы.
На практике приходится решать задачу подбора состава бетонной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкции. Для этого необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими свойствами. Для их оценки используют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смеси: показатель жесткости, осадку конуса и др., которые характеризуют поведение смеси в определенных условиях и служат для ориентировочной оценки способности смеси к формоизменению и уплотнению при тех или иных воздействиях.
Заметное влияние на реологические свойства бетонной смеси оказывают минералогический состав и тонкость помола цемента. Наиболее выраженной тиксотропией обладают цементы с повышенным содержанием алюминатов. Вязкость бетонной смеси в большей мере зависит от скорости колебаний, чем от минералогического состава цементов.
Тонкость помола цемента также существенно влияет на тиксотропию. Вначале с повышением тонкости помола структурная вязкость предельно разрушенной структуры и коэффициент тиксотропии уменьшаются, и при Sуд. = 4500–6000 мм2/г наблюдается минимальное значение этих величин, но в дальнейшем эти показатели возрастают.
Объясняется это тем, что в смесях с тонкомолотыми частицами значительно возрастают силы внутреннего сцепления за счет действия межмолекулярных и адгезионных сил и уменьшается толщина водных прослоек. Вибрационное воздействие в этом случае вызывает ослабление сил внутреннего взаимодействия и гораздо сильнее влияет на изменение свойств смеси.
При грубом помоле цемента все большее значение приобретают силы внутреннего трения, так как значительная часть воды располагается в пустотах, а не между зернами материала, не играя роли смазки, и структурная вязкость возрастает.
В бетонной смеси существует такое соотношение между цементом и заполнителем, в том числе между песком и щебнем, при котором структурная вязкость смеси будет наименьшая, подвижность наибольшая, а для ее уплотнения потребуется затратить наименьшее количество энергии.
Большое влияние на реологические свойства бетонной смеси оказывают соотношение между водой и цементом, и между водой и твердой фазой. Цементное тесто и бетонная смесь могут сохранять связность только в определенном интервале значений В/Ц, величина которых зависит от реологических свойств цемента, заполнителей и состава бетонной смеси. При высоких В/Ц начинается расслоение бетонной смеси, оседание зерен твердой фазы, образование пустот, заполненных водой, вытекание избыточной воды. Нарушается однородность смеси, резко возрастает разброс результатов при определении реологических характеристик. Такие смеси не пригодны для использования.
Но уменьшение структурной вязкости возможно и при уменьшении В/Ц, так как при более низких В/Ц смесь просто теряет связность и рассыпается, и в общем ее нельзя даже рассматривать как сплошную массу с определенными свойствами.
Степень изменения реологических свойств смеси зависит от вида цемента, В/Ц, состава бетона, температуры бетонной смеси, применяемых добавок и других факторов. Понижение В/Ц и повышение температуры бетонной смеси вызывают повышение структурной вязкости и предельного напряженного сдвига бетонной смеси.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2477; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!